СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ДОРОЖНЫМ ПОКРЫТИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием. Такой способ в первую очередь может быть использован при анализе дорожно-транспортных происшествий (ДТП), когда целесообразно определить коэффициент сцепления каждого из колес автомобиля - участника ДТП с полотном дороги.

Известные способы определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием [1-4] либо вообще невозможно использовать для определения коэффициента сцепления колеса с дорогой, либо дают недостаточную точность определения этого коэффициента. Так, в соответствии с [1] способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием включает торможение транспортного средства на испытываемом участке дорожного покрытия, выполняемое с 2-х различных начальных скоростей движения транспортного средства, измерение в каждом случае торможения длины тормозного пути, времени торможения и последующее вычисление коэффициента сцепления по определенной формуле, приведенной в [1]. Этот способ не только не позволяет дифференцированно определить коэффициент сцепления с дорогой каждого колеса автомобиля, но и не позволяет определить эти характеристики для автомобиля, попавшего в ДТП, поскольку после ДТП зачастую автомобиль не способен к движению, а сцепные характеристики его с дорожным полотном могут существенно отличаться от этих же характеристик до момента ДТП. В соответствии с [3] способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием требует использования некоторого эталонного колеса, то есть говорить об измерении коэффициента сцепления с полотном дороги конкретного колеса не приходится. Более того, устройства для измерения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием содержат либо какое-то измерительное колесо, либо некий имитатор, шины, примерами таких устройств могут быть [5-8].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием по патенту РФ №2161671 [9], который взят за прототип. В соответствии со способом оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием по [9] определение коэффициента трения между нагруженным основной нагрузкой колесным движителем и покрытием заключается в том, что к ободу неподвижного движителя по касательной прикладывают дополнительную нагрузку, которую плавно увеличивают до значения, обеспечивающего начало буксования, и по соотношению значений основной нагрузки и дополнительной в момент перехода движителя из неподвижного состояния в режим буксования определяют коэффициент трения и судят о сцепных качествах покрытия. Одним из основных недостатков способа является необходимость определения величины основной нагрузки, приходящейся на испытуемый движитель (автомобильное колесо), что является достаточно сложной задачей даже для исправного автомобиля и становится проблематичным для автомобиля, попавшего в ДТП.

Тем самым, основным недостатком существующих способов и устройств, предназначенных для определения коэффициента сцепления автомобильного колеса с дорожным покрытием, является невозможность их использования для достоверной оценки этого параметра для отдельного конкретного колеса автомобиля, попавшего в ДТП.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения коэффициента сцепления отдельного конкретного колеса автомобиля, попавшего в ДТП, с дорожным полотном.

Указанная цель достигается тем, что способ оценки сцепных качеств конкретного автомобильного колеса, установленного на автомобиле, с дорожным покрытием определяется в момент перехода колеса из неподвижного состояния в режим буксования, для чего к его ободу прикладывают вращающий момент, который плавно увеличивают до значения, обеспечивающего начало буксования, и величина которого измеряется. После чего к колесу прикладывают дополнительную весовую нагрузку, действующую на колесо, а к его ободу вновь прикладывают вращающий момент, который плавно увеличивают до значения, обеспечивающего начало буксования в новых условиях весового воздействия на колесо, величина которого измеряется. Исходя из разности силовых моментов, приложенных к испытуемому колесу, геометрических размеров колеса (диаметр колеса) и величины дополнительной весовой нагрузки, приходящейся на колесо, судят о сцепных качествах автомобильного колеса с полотном дороги.

Принципиальным отличием изобретения от способа-прототипа, в соответствии с которым для определения коэффициента трения покоя колеса относительно дорожного полотна испытания проводятся в режиме буксования для некоторого эталонного колеса, причем без рисунка протектора, а само испытуемое покрытие увлажняется, предлагаемый способ позволяет определять сцепные характеристики конкретного колеса в конкретных условиях его эксплуатации. То есть, заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют обеспечить оперативность и удобство получения данных о сцепных качествах колес автомобиля, попавшего в ДТП, с дорожным покрытием на месте ДТП, повышают точность и достоверность определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием, что повышает достоверность и объективность проведения автотехнической экспертизы ДТП.

Изобретение реализуется следующим образом.

К ободу испытуемого колеса автомобиля, стоящего на месте ДТП, нагруженного вертикальной силовой нагрузкой, приходящейся от веса автомобиля на испытуемое колесо, плавно увеличивая от нуля, прикладывают вращающий момент, максимальное значение которого соответствует началу буксования колеса (проворот колеса), при этом сам автомобиль фиксируется от возможности его движения по полотну дороги. Значение прикладываемого к колесу силового момента в начале буксования колеса используется в дальнейших расчетах. Далее испытуемое колесо нагружают известной дополнительной весовой нагрузкой и, плавно увеличивая от нуля, прикладывают к испытуемому колесу вращающий силовой момент, максимальное значение которого соответствует режиму буксования колеса при увеличенной весовой нагрузке на испытуемое колесо. Значение силового момента, прикладываемого к колесу автомобиля в новых условиях его весового нагружения, соответствующее началу его буксования, также используется в дальнейших расчетах.

Силовые моменты для обоих случаев, прикладываемые к колесу в начальный момент его буксования, могут быть рассчитаны по следующим формулам:

где F_TP1, F_TP2 - силы трения в пятне контакта шины с полотном дороги, соответственно при первом и втором эксперименте по буксованию колеса;

L₁,L₂ - крутящие моменты, соответствующие началу буксования испытуемого колеса при первом и втором эксперименте;

R - расстояние от центра испытуемого колеса до опорной поверхности (дорожного полотна);

f - искомый коэффициент сцепления.

Поскольку нагрузка на колесо при первом и втором его буксовании отличалась на известную величину Q=P₂-Р₁, из системы уравнений (1) легко получить выражение для искомого коэффициента сцепления:

Для реализации предлагаемого способа определения коэффициента сцепления автомобильного колеса с полотном дороги в устройстве должна быть система нагружения испытуемого колеса вертикальной силовой нагрузкой и система нагружения его крутящим моментом, а также должна быть в устройстве измерительная система (измерение величины крутящего момента). Все эти три системы имеются в устройстве для измерения коэффициента сцепления аэродромного и дорожного покрытия по патенту РФ №2134415 [10]. Однако с помощью устройства по отмеченному патенту [10] возможно определить коэффициент сцепления для некоторого измерительного колеса, а в само устройство входит транспортная тележка, содержащая, по крайней мере, одно задающее колесо. Все это не только усложняет конструкцию устройства, но и не позволяет определить коэффициент сцепления конкретного колеса конкретного автомобиля без демонтажа этого колеса с оси автомобиля, что является крайне важным при паспортизации места ДТП. Эти недостатки устранены в устройстве, схема которого показана на фиг.1.

Устройство состоит из станины 1, имеющей винтовые опоры 2 для позиционирования станины по высоте относительно дорожного полотна. На станине 1 закреплен редуктор 3, на выходном консольном вале 4 которого с возможностью перемещения по его длине установлен груз 5, фиксация положения которого на валу осуществляется гайками 6. На конце вала 4 установлен узел передачи вращающего силового момента на испытуемое колесо 7, состоящий из зацепов 8, позиционирование которых относительно испытуемого колеса 7 и фиксация их на колесе осуществляется винтовыми парами (талрепами) 9. Силовой момент создается на входном валу 10 с помощью динамометрического ключа 11. Для снижения влияния упругости консольного вала 4 на величину вертикальной силовой нагрузки, действующей на колесо, вблизи выхода консольного вала из редуктора может быть установлен карданный узел 12.

Устройство работает следующим образом.

При определении коэффициента сцепления устройство устанавливают напротив испытуемого колеса 7, обеспечивая соосность колеса и выходного вала 4 редуктора 3, используя с этой целью винтовые опоры 2. Закрепляют на испытуемом колесе 7 зацепы 8 и фиксируют их талрепами 9. На выходном валу 4 в крайне правом возможном положении (фиг.1) устанавливают груз 5, положение которого фиксируют гайками 6. При измерении коэффициента сцепления с дорогой ведущего колеса коробка передач должна быть переведена в нейтральное положение - передача выключена. При измерении коэффициента сцепления на задних колесах автомобиля автомобиль должен быть снят с ручного тормоза. Далее все колеса автомобиля, кроме испытуемого, блокируются, например, противооткатными упорами. Устройство готово к работе.

Динамометрическим ключом 11 на входном валу 10 редуктора 3 с постоянным нарастанием создается силовой момент, который через редуктор 3 и вал 4 передается на испытуемое колесо 7. Динамометрический ключ 11 покажет максимальное значение крутящего силового момента L₁, создаваемого на входном валу редуктора, соответствующего началу буксования испытуемого колеса. Значение максимального крутящего силового момента L₁ фиксируется, и производится перевод показаний динамометрического ключа в нулевое положение.

Отвернув гайки 6, груз 5 известного веса Q переводят в крайнее левое положение, которое фиксируют гайками 6. Вес груза 5 во втором опыте может быть и изменен. Аналогично, как и в первом опыте, динамометрическим ключом 11 на входном валу 10 редуктора 3 с постоянным нарастанием создается силовой момент, который через редуктор 3 и вал 4 передается на испытуемое колесо 7. Динамометрический ключ 11 покажет максимальное значение крутящего силового момента L₂, создаваемого на входном валу редуктора, соответствующего началу буксования испытуемого колеса. Значение максимального крутящего силового момента L₂ фиксируется, и производится перевод показаний динамометрического ключа в нулевое положение. При передаточном отношении редуктора, равном φ, силовые крутящие моменты, действующие на колесо 7, будут соответственно равны L₁φ и L₂φ. Тогда легко показать, что формула (2) для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным полотном будет иметь вид

где основные параметры показаны на фиг.1.

Для случая постоянства веса груза, перемещаемого по валу 4 и равного Q, выражение (3) принимает вид

нагрузки, геометрические параметры S, Δ обозначены на фиг.1.

Тем самым, предлагаемый способ определения коэффициента сцепления конкретного колеса автомобиля непосредственно на месте ДТП без демонтажа колеса с автомобиля - участника ДТП, относительная простота устройства для реализации предлагаемого способа позволяет значительно повысить объективность расследования ДТП путем получения более достоверных данных о состоянии сцепления всех колес автомобиля с полотном дороги.

Источники информации

1. Способ определения коэффициента сцепления. А.с. СССР №1404903, G01N 19/02; G01M 17/02. Опубл. 23.06.88. Бюл. №23.

2. Способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием и устройство для его осуществления. А.с. СССР №1059471, G01M 17/02. Опубл. 07.12.83. Бюл. №45.

3. Способ определения коэффициента сцепления колес с поверхностью. А.с. СССР №1516898, G01N 19/02. Опубл. 23.10.89. Бюл. №39.

4. Способ определения коэффициента сцепления шин с опорной поверхностью. А.с. СССР №1651127, G01M 17/02. Опубл. 23.05.91. Бюл. №19.

5. Устройство для измерения сцепления колеса с дорожным покрытием. А.с. СССР №991267, G01N 19/02. Опубл. 23.01.83. Бюл. №3.

6. Прибор для определения коэффициента трения между шиной автомобиля и поверхностью дорожного покрытия. А.с. СССР №905748, G01N 19/02. Опубл. 15.02.82. Бюл. №6.

7. Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. Патент Российской Федерации на изобретение №2211891, Е01С 23/07, G01N 19/02. Опубл. 10.09.2003.

8. Устройство для измерения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. Патент Российской Федерации на изобретение №2156333, Е01С 23/07, G01N 19/02. Опубл. 20.09.2000.

9. Способ оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием. Патент Российской Федерации на изобретение №2161671, Е01С 23/07, G01N 19/02. Опубл. 10.01.2001.

10. Устройство для измерения коэффициента сцепления аэродромного и дорожного покрытия. Патент Российской Федерации на изобретение №2134415, G01N 19/02. Опубл. 1999.08.10.

Предлагаемые способ и устройство для его реализации относится к технологии оперативного контроля коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием при расследовании ДТП. Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием содержит систему нагружения тестируемого автомобильного колеса, непосредственно установленного на оси автомобиля, вертикальной нагрузкой. Также устройство содержит систему нагружения его крутящим моментом. Причем система нагружения тестируемого автомобильного колеса крутящим моментом совмещена с системой нагружения тестируемого колеса вертикальной нагрузкой и состоит из станины, имеющей винтовые опоры для позиционирования станины по высоте относительно полотна дороги. На станине установлен редуктор с выходным консольным валом, на свободном конце которого установлен узел передачи вращающего момента на испытуемое колесо, состоящий из зацепов, фиксация которых на ободе колеса осуществляется талрепами. При этом на входном валу редуктора установлен динамометрический ключ, позволяющий измерить величину силового момента, прикладываемого к колесу, а для изменения величины вертикальной силовой нагрузки, действующей на испытуемое колесо, на выходном консольном валу с возможностью перемещения по его длине установлен груз, фиксация положения которого на валу осуществляется стопорными гайками. Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности определения коэффициента сцепления отдельного конкретного колеса, установленного на оси автомобиля, попавшего в ДТП, с дорожным полотном. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, состоящий в приложении к ободу неподвижного колеса, нагруженного вертикальной основной нагрузкой, плавно изменяющейся нагрузки и по величине которой, соответствующей началу буксования колеса, с учетом геометрических его характеристик, вычисляют коэффициент сцепления, отличающийся тем, что силовая нагрузка в виде вращающего силового момента, плавно увеличивающегося во времени до значения, обеспечивающего начало буксования колеса, прикладывается к ободу установленного на оси автомобиля штатного колеса, нагруженного вертикальной силовой нагрузкой, при этом остальные колеса автомобиля зафиксированы с целью исключения перемещения самого автомобиля, а величина силового момента, соответствующего началу буксования фиксируется, после чего меняется величина нагружения вертикальной силовой нагрузкой испытуемого колеса и к его ободу, вновь плавно увеличивая, прикладывают силовой момент до начала буксования колеса, а величину силового момента, соответствующего началу буксования также фиксируют и по разности измеренных силовых моментов судят о коэффициенте сцепления испытуемого колеса с дорожным покрытием.

2. Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, содержащее систему нагружения тестируемого автомобильного колеса, непосредственно установленного на оси автомобиля, вертикальной нагрузкой и систему нагружения его крутящим моментом, отличающееся тем, что система нагружения тестируемого автомобильного колеса крутящим моментом совмещена с системой нагружения тестируемого колеса вертикальной нагрузкой и состоит из станины, имеющей винтовые опоры для позиционирования станины по высоте относительно полотна дороги, на которой установлен редуктор с выходным консольным валом, на свободном конце которого установлен узел передачи вращающего момента на испытуемое колесо, состоящий из зацепов, фиксация которых на ободе колеса осуществляется талрепами, а на входном валу редуктора установлен динамометрический ключ, позволяющий измерить величину силового момента, прикладываемого к колесу, а для изменения величины вертикальной силовой нагрузки, действующей на испытуемое колесо, на выходном консольном валу с возможностью перемещения по его длине установлен груз, фиксация положения которого на валу осуществляется стопорными гайками.